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人类还需要三十年和百亿美金才能发射下一个韦布吗?| 巡天报告

詹姆斯·韦布望远镜模型图 | 图源:NASA

编者按

2021年刚过去的圣诞节,经历三十多年建造、耗资百亿美元的詹姆斯·韦布望远镜终于发射升空。六个月后,它将在遥远的轨道上部署完毕,开始工作。这台开启新时代的太空望远镜有哪些特别之处?天体物理学家苏萌在这次的巡天报告中详细解读了韦布的设计,并畅想了韦布之后太空望远镜和天文学的未来。(注:天文学名词审定委员会采纳詹姆斯·韦布作为James Webb的译名,以与Webber的翻译韦伯区别,因此以此译名为准。)

撰文 | 苏萌

宇宙大爆炸几千万年后,进入了人类还知之甚少的再电离时代。第一代的早期恒星开始形成,核聚变开始在天体中发生,引力势能开始转化为辐射。此时,大质量的恒星们发出的高能量紫外光子畅通无阻地穿过广袤的宇宙,在130多亿年后到达地球附近——长途跋涉后疲惫不堪的紫外光子已经 “红移” 到中远红外波段,落入到人类最强大的哈勃太空望远镜没有办法探测的波长范围。

然而,顺利的话,只要几个月之后,这些光子中的幸运儿即将被人类历史上迄今为止最庞大、最复杂的太空望远镜捕获。这台望远镜就是詹姆斯·韦布望远镜。

韦布望远镜将给人类带来第一次对早期宇宙天体结构的详细考察。要知道,我们自身和我们所知道的今天宇宙的一切都是从那个时代开始诞生演化的,这样的信息对天文学家来说是多年来梦寐以求的。韦布上的红外探测器是地面望远镜完全望尘莫及的,从系外行星、早期恒星形成、星系形成与演化研究的方方面面,未来十年韦布将一次又一次地改进甚至颠覆天文学家今天的认知。

 

1、最庞大、最复杂的太空望远镜:后“韦布”时代到来

过去的三十年时间里,韦布望远镜不断消耗着美国航天局(NASA)有限的预算,总支出占到NASA对整个天体物理学科领域预算的四分之一左右,影响了其他中小型天文项目的开展,一度有很大的风险被叫停。而为了让这个过于昂贵又不允许犯错(too big to fail)的项目成功实施,NASA不得不投入更多的经费,直到达到98亿美元的天价。

这场价值近100亿美元的赌注终于在万众瞩目之下搭载着欧洲航天局(ESA)重型运载火箭阿利亚娜五型火箭成功发射,奔向150万公里远的第二拉格朗日点。不知道全世界多少的天文学家、物理学家和天文爱好者们在圣诞节紧张而兴奋地看着这枚火箭携带着代表人类太空科技最前沿的杰作升空。

图1 载着詹姆斯·韦布望远镜的阿丽亚娜5型火箭整装待发 | 图源:NASA/Bill Ingalls

不得不说,韦布太空望远镜是一个近乎疯狂的工程,建造它所需的技术组合毋庸置疑是超越时代的,包括探测器系统、机电系统、冷却系统、光学系统和遮阳板等等。这不仅仅是数千位工程师和科学家几十年工作的结果(据说达到了4千万工时的工作量),某种意义上讲,更是人类科技发展数百年的材料、工程技术的反复沉淀,才让这样的项目在今天成为可能。韦布的发射是人类探索宇宙历史上的一个重要里程碑。

人们用80后,90后,00后这样的时代标签来描述一代又一代的人。我觉得天文学研究某种意义上讲也是这样的。哈勃太空望远镜是31年前(1990年4月)发射的,“90后” 或者说 “哈勃后” 是天文学发展的一个时代印记。今天韦布的发射应该会开启一段新 “韦布后” 时代。作为一名天文学工作者,看着法属圭亚那发射场的倒计时牌,内心是无比激动的。

图2 韦布望远镜升空  | 图源:NASA/Bill Ingalls 

 

2、红外,制冷,和遥远的L2

韦布望远镜不像哈勃望远镜一样,在距离地球数百公里的轨道上绕地球运行,而是在相较数千倍远的日地第二拉格朗日点(L2)运行,大约是地月距离的四倍之多。这是太阳和地球的五个引力平衡点之一,太阳和地球两个物体的引力几乎平衡于韦布望远镜的运动向心力,就像太空中的一个小停车位,允许卫星坐在相对稳定的位置,同时使用最少的燃料留在那里,相对容易地保持在一定空间范围内工作(并不是一个点,而是一个区域)。

太阳和地球之间有五个拉格朗日点。其中第一拉格朗日点(L1)位于太阳和地球之间,适合太阳观测卫星。然而,韦布望远镜的工作性质要求它尽可能避免来自太阳的光线,因为它是一台红外波段(0.6至28.3微米)的太空望远镜。

大家都知道,热的东西会产生红外线,比如夜晚,我们可以通过红外夜视仪看到发热的东西。而从太阳发出的热量会让韦布超级灵敏的传感器瞬间饱和——这样的探测器是设计用来观察寒冷且遥远的宇宙天体的。由于L2独特的动力学特性,韦布望远镜背对太阳、地球和月亮。同时,望远镜的暗面需要在零下233摄氏度下工作,如果没有办法阻挡来自太阳和地球的热量,那么望远镜会在83摄氏度烧焦,这样的温度几乎足以烧开水。所以需要一个强大的隔热设计——韦布望远镜的一个重要特征就是背上背着一个巨大的 “护盾”,像乌龟一样,或者更准确的说,是一个史上最强的 “遮阳伞”。

制造这样一个遮阳伞实际上是一个非常非常棘手的问题。按照设计要求,穿过遮阳伞泄露到韦布探测器的热功率不能超过1瓦。

我们知道,热可以通过三种方式传递。真空中没有热对流,那就只剩下热传导和热辐射作为传热的手段。让我们看看韦布望远镜是如何管理热量的:首先遮阳伞必须足够轻且抗太阳辐射降解,而且在一定温度范围内能保持尺寸稳定并具有反射性。韦布有五层遮阳伞,而每一层都非常薄。第一层,即离太阳最近的一层最厚,为0.05毫米,而接下来的四层仅为0.02毫米。每一层同时涂有100纳米厚的铝涂层,以增强反射率。韦布利用每层之间高度绝缘的真空空隙阻止辐射热传导。每一层之间的空隙变成辐射向外泄露的空间,确保每一层逐渐降低温度,从而保护仪器舱中的关键部件。

阻挡热量只是挑战之一。为了装在阿利亚娜五型火箭的整流罩里,韦布的遮阳伞在发射前必须折叠 “瘦身”,因此必须设计一些难以置信的复杂力学结构,来确保它正确展开。

膜和电缆这些柔性结构的部署,在动力学上几乎无法计算,控制这些几乎不确定的过程需要大量的工程实验和试错。你可以想象,轻薄的遮阳伞就像我们熟悉的降落伞。你知道降落伞会起作用,但它起作用的前提是你要在使用前很好地折叠它。但同时,只有当你真的使用它的时候,你才知道它是否正确地折叠了。 

韦布遮阳伞的展开过程将在发射后几天开始。在太阳能帆板和通讯天线等常规组件展开后,真正令人神经紧张的部署过程将从第七天开始——此时的韦布正在向L2飞行途中。在这个展开的序列中,有超过三百个单点故障的可能性——100亿美元的三百次机会。

遮阳伞的107个固定点要按次序依次释放,让滑轮电机、电缆轴承和弹簧系统卷起遮阳伞,直到精确部署至完整的形状,整个过程将需要三天时间。一旦完成,光学组件将展开到位并锁定。

网球场大小的遮阳伞被微陨石击中的可能性相当高。因为这是一层一层在张力下伸展的薄薄的塑料,撞击造成的小撕裂可能会导致整个遮阳伞撕裂。为了防止这种情况发生,纤维胶带被缝合进遮阳伞,将可能的损害限制在局部,而不破坏结构整体的完整性。

遮阳伞的薄膜还经过精心模制,带有波纹和其他形状,以加强结构和屏蔽功能。这种被动制冷的方式非常有帮助。确保望远镜的黑暗面有效屏蔽太阳的热量,保持其敏感的热探测仪器在40开尔文,也就是大约零下233摄氏度。

韦布的中红外探测仪器则需要更冷的环境才能有效的工作——7开尔文。为此,韦布在被动制冷的基础上还需要主动冷却。韦布望远镜带有一个创新设计的低温冷却器,花费了一亿五千万美元。冷却器需要尽量减少功耗,因为韦布只有由太阳能电池阵列提供的两千瓦供电能力,实现超低温环境的同时,还需要避免各种运动部件振动产生的影响,因为望远镜哪怕最微小的抖动都可能导致最后经过长时间曝光的图像变得模糊。

 

3、精密可调节的大金镜子

韦布直径6.5米的金光灿灿的主镜大概是望远镜最引人注目的部分,它由十八个六边形模块组成。我敢打赌它跟你见过的任何望远镜的镜子都不一样,那么它为什么被设计成这样呢?

韦布的主镜需要在L2点运行时保持极其精确的形状,不能随着温度变化剧烈变形,而且质量要非常轻才能满足发射到L2点的需要。这块光鲜亮丽的主镜是镀金的铍结构。铍是一种独特且昂贵的材料,它是一种轻质金属,原子序数是四,它比传统的镜面材料石英玻璃轻得多。铍更有能力应对低温环境,保持镜面的形状,不会收缩得太厉害。虽然铍比钢更容易断裂,但在实际断裂之前更难变形,铍的硬度是钢的六倍,使它成为完美主镜结构的建造材料。

然而,铍并不反光,因此我们需要给镜面镀金。黄金不是可见光的最佳反射器,在现实生活中尤其不善于反射可见光谱的短波长部分,但它的红外光谱反射率非常优秀。同时,金元素化学属性非常不活泼,可以确保镜面不会由于在太空中的长期暴露而跟即便很稀薄的星际物质发生反应。镀金涂层只有0.1微米厚,覆盖在抛光的铍表面上,整个主镜的集光面积约为25平方米(是哈勃的6.25倍),看起来金光灿灿非常壮观,但实际只使用了48.2克黄金,大概就是几枚金戒指的重量吧。有趣的是,虽然韦布实际上没用多少金子,但是如果把韦布的造价折算,据说已经超过150吨黄金的价值了。

话说回来,为什么需要这么大的镜面呢?因为韦布要观测极其暗弱的天体,任何其他的望远镜都无法观测到的暗弱天体。打个比方,假设把一个五瓦特的小灯泡放到月球的表面,你从地球上观测它,这个亮度比韦布需要探测的星光还要亮数十倍。即便大如韦布,从那些暗弱的天体发出的光子我们每秒大约只能收集一个,对,只有一个光子。所以想探测这些宇宙中非常昏暗的东西,你需要一个直径至少6米的望远镜。

实际上天文学家希望镜子更大,但是在发射成本和整流罩内有限空间的限制下,6.5米的主镜已经是最大限度优化可用资源的结果。虽然集光面积韦布比哈勃大好几倍,相比起哈勃巨大的固体玻璃镜子,韦布实际上在重量上还要轻62%,不得不说是一个巨大的工程成就。

韦布的镜子甚至是可编程远距离调校的。我们知道,当哈勃第一次开始向地球传输图像时,人们很快认识到望远镜的光学系统有问题——镜子的边缘被磨得太平了,只差了2000纳米,大约是人类头发的厚度的50分之一,但是这足以导致光线无法有效聚焦到探测器上。更换哈勃的主镜是不可能的,幸运的是哈勃望远镜从一开始就被设计成可以维修的,在其整个生命周期中,采用模块化设备隔间,允许拆卸和更换旧设备。

为了纠正这个问题,工程师在哈勃的其中一个设备底座安装了校正光学器件,就像给这个数十亿美元的望远镜带上了一副巨型眼镜,拯救了这个项目。因为L2点太遥远了,以目前的航天能力是无法送宇航员过去维修韦布的。如果镜子有问题,那就是 game over。工程师们不敢冒险,设计了一个能够调整焦点的机械系统。

十八个独立的镜子中的每一个都可以扭曲其镜面形状,并调整其像斑到相对于位于主镜焦点的次镜的位置。在铍反射镜后侧有一个背板支撑和电机系统,不仅可以调节镜子的转动,还可以调节中心电机来改变它们的曲率,从而调整镜子的焦点。

这个技术可以不需要我们把宇航员送到L2点来纠正类似哈勃那样的潜在虚焦问题。一旦镜面完全展开,望远镜将开始其校准程序。随着每个反射镜自身调整,直到十八个分镜中的每一个都与次级反射镜正确对齐。次级反射镜是一个0.74米的凸面镜,它本身也有六个电机来调整它的位置。这些电机和控制系统非常精确,镜子可以以优于探测波长的精度来调整它们的位置。

获得最终清晰图像的工作不仅仅是通过主镜像和辅助镜像对齐来完成的。主次镜将光线聚焦到位于光学子系统内部的卡塞格林焦点上,一个位于主镜中间的长条状的黑色突起结构内,以有效阻止周围的光线进入光圈范围。这个结构内部有一面精细的转向镜。这个东西大概是世界上最贵的图像稳定工具。它的工作是将观测目标保持在视野的中心,每64毫秒它将向姿态控制系统发送信号,以确保望远镜保持在观测目标上。这种姿态控制是通过位于遮阳罩下方的卫星平台内部六个反作用轮的组合来完成的。这面镜子不断调整自己的方向,以确保望远镜的目标在最终的探测传感器上保持稳定。

韦布的工程师用一个巨大的地面真空室进行校准和测试,室内冷却到与韦布在太空运行相同的温度,确保能够实现这样的调焦能力。

因为韦布携带的有限燃料无法一直支撑它在L2点运行需要的轨道维护和望远镜反复指向的需求,韦布的寿命估计在5-10年,最终燃料将耗尽。但是有传言说,美国宇航局正在开发新技术,在韦布失去动力前,前往遥远的L2点给它加油。我相信十年后给航天器在轨加注的机器人将具备这样的能力。

 

4、或许这是最后一台在地球上建造的、超过百亿美元的太空望远镜

为什么这么说呢,韦布是因为远超预算才破了百亿美元这个门槛的。我相信,未来的旗舰级大型空间望远镜将在太空中就位建造。

图3 太空中的韦布望远镜 | 图源:NASA

实际上,一个设计用于太空工作的望远镜要先在地面建造是一件非常困难的事情。随着航天技术的发展,尤其是商业航天快速的技术迭代,我们应该很快能在太空中建造大型的太空望远镜,在太空中测试它们,在太空中调整它们,然后在太空中部署它们。费尽心机地折叠韦布,对它做大量的地面测试,都是因为我们没有足够大的火箭发射的整流罩空间,没法保证这样精密的太空望远镜能够在剧烈的发射震动中完好无损。

我们站在一个新的太空时代的前沿,韦布望远镜是我们迈向更有能力的太空文明的一个里程碑。作为一个能够逃离地球重力的物种,这只是半个多世纪人类尚且短暂的航天时代里众多里程碑之一。

天文学家一直追求着用 “没有最大只有更大” 的望远镜来收集微弱的、来自宇宙早期最遥远的恒星、星系和类星体的光,有时候还想把将明亮恒星的光切割得非常精细,以寻找小行星和地外行星的微小特征。我们从来不希望技术限制我们获得渴望的东西。历史上很多技术正是因为这样没有边界的探索欲被不断催生。但是我们今天的确遇到了必须面对的现实麻烦。人类研究宇宙的望远镜的建造费用的增长速度远远快于它们所依赖的全球经济的发展速度。我们只有想办法降低项目的成本,才能让人类探索宇宙的步伐继续充满活力。

图4 类星体概念图 图源:NASA 

 

5、我们需要为下一代望远镜再等待30年吗?

韦布早期的概念设计在哈勃太空望远镜发射之前就已经提出,三十多年后的今天才最终被发射上天。天文学家早已明确了下个十年要发射的大型太空望远镜。例如,X射线望远镜Athena被选为ESA的第二个大型飞行任务。它的预定发射日期是2028年。在美国,一个比韦布口径大一倍的望远镜早在几年前已经被数百位天文学家联合提出,如果获得批准,预计最早的发射日期是2035年(大概率也会推迟)。为什么天文学家要提前这么长时间计划,提前20年甚至更早呢?天文学家只是热衷于延迟满足吗?漫长的时间尺度背后还有更深层次的原因。

天文学家设计一代新的太空望远镜,是因为总是需要更多的光(更高的灵敏度)来辨别上一代设备发现的天体是什么,甚至揭开它们背后的物理机制。要想有认知上的进步,需要在至少一项指标能力上有数量级的飞跃,不然提出的项目基本没有获得政府批准的机会。

在过去的几十年里,在电磁波谱每一个波段的望远镜都从小型探测设备发展到了大型天文台。这些旗舰级任务(比如韦布)成本巨大,从构思到发射需要数十年时间。

例如,哈勃望远镜的原型是在紫外线下观测宇宙的太空望远镜(因为紫外线不能穿过我们的大气层)——哥白尼轨道天文台和国际紫外线探测器(IUE),分别携带80厘米和45厘米直径的镜子。而升级版的太空望远镜哈勃有一个3-5倍大的镜子。哈勃的 “继任者” 韦布(在波段上是跟哈勃互补的)则有一个6.5米的望远镜,几乎是哈勃的三倍。而计划在2035年后发射的新一代旗舰级望远镜可能达到15米的口径,又一次翻倍。这种直径乘以3左右的倍数增长,或者说以镜面面积乘以10左右的跳跃增长,其增长趋势是指数级的。

问题是,更大的望远镜成本更高,容易面临项目资金不足而取消的风险。一个例子是,在过去30年的过程中,X射线天文学获得了100万倍的探测灵敏度的提升,这是巨大的技术进步,对天体物理学产生了深远的影响。但是建造这些太空望远镜的(经过通货膨胀修正的)费用在30年中增加了大约20倍,年增长率达10%。显然,天文学发展所需的项目资金规模的高速增长率是不可持续的,指数上升曲线变得几乎垂直。按照这样的发展速度,建造成本可能很快会超出政府的承受能力,这也是实验粒子物理学在几十年前遇到了资金障碍的本质原因,曾经的超级对撞机当时已经在德克萨斯州建造了很久,消耗了数十亿美金的投入,但是最终还是由于超过了预算而被取消。

韦布望远镜成本不断翻倍的增长导致该项目多次面临取消的威胁。韦布在2001年缩小了原先的设计并在2011年重新规划,避免了被取消的命运。

目前,美国航天局每十年大约有50亿美元的预算用于旗舰型太空望远镜。也就是说,约20年才能实施一次韦布这样旗舰级别的太空望远镜项目。宽视场红外望远镜(罗曼空间天文台)预计2025年左右发射,而到2035-2040年,我们才可以期待下一代的10米级太空望远镜。

另一个问题是,将鸡蛋都放在大型望远镜这一个篮子里也有巨大的风险。现代天体物理学的快速发展,实际上不仅仅依靠一个大口径的望远镜,而是依赖于同时能够开展整个电磁波谱的天文观测系统能力的提升。恒星、星系、类星体、行星,我们可以做到无视地球大气层的天然屏障,不断突破我们技术的局限性,在太空中探测几乎所有波长的光,从无线电和红外到光学、紫外线和X射线、伽马射线。就像拼图拼凑在一起才能看到问题的全貌,跨越波段的望远镜之间的协同工作无疑是我们处于天文学黄金时代的主要原因。

如韦布一样单一的大型科学任务对项目来说是一种巨大的风险:

1如果失败,没有备份;2‍‍一项任务的科学不可能跨越整个领域的要求,否则我们现在拥有的多波段观测的协同作用将会丧失;3空间望远镜的多样性也有利于这个领域的智力和活力。如果所有天文学家只用一台望远镜,这将限制他们科学想象力的广度。

一拥而上依靠一台太空望远镜、争抢珍贵观测时间的天文学家们会感受到巨大的压力,选择什么科学问题和研究方法一定要跟上当前的 “时尚”,另辟蹊径的想法往往不会被鼓励,因为决策如何使用珍贵设备的专家往往会限制创造性的新方法,这很难避免。
比如系外行星的发现是一个很好的例子,一个小团队天文学家走不同寻常的道路,导致了大多数天文学家完全没有预料到的新科学的爆炸。很多时候很难比较两个科学目标哪个更有价值,那么我们不如用便宜的手段实现多个目标的同步发展。

 

6、未来20年太空资源的商业化开发将极大提升我们探索宇宙的“性价比”

那么我们如何为天体物理学和行星科学设想一个更大的、开放的、有吸引力的未来呢?

我认为,答案在于太空资源的商业探索与利用。这看起来似乎没有直接联系。天文学家正为未来20年的时间尺度开展任务规划,但还没有充分意识到未来20年商业太空活动的重大变化和可能机会。

我们大多数人都知道SpaceX及其可重复使用的火箭,但也许除此之外知道的就不多了。让我们着眼于未来20年左右的商业航天的发展,看看这些新的维度的快速发展对天体物理学和行星科学规划的影响。就像所有的商业活动都天然地有降低成本的巨大压力一样,为了利润最大化,商业航天也不例外。

天文学和行星科学可以利用这个方式节约成本。一个经验法则是,发射和科学有效载荷各自消耗大约四分之一的任务预算(直到发射),而航天器消耗大约一半。商业航天近期将在五个领域产生变化:(1)降低发射成本;(2)更便宜的航天器;(3)更便宜的有效载荷;(4)廉价、快速的在轨测试;(5)成本效益高的服务。

试想如果发射成本降低10倍,对于目前在太空中的大多数主要空间天文台来说,卫星的成本大约是一半。将航天器成本降低2倍,发射成本降低3倍,将使这些旗舰级任务的成本大致减半。这将从根本上改变旗舰任务的决定流程和规划方式,使每十年可以发射的大型空间天文设备数量翻一番。

另外就是科学有效探测载荷,对天文学家来说,利用发射和航天器上节省的经费来建造更加强大的科学有效载荷极具诱惑。望远镜反射镜和其他光学设备、传感器和前置放大器电子设备等专用设备或许无法很快通过找到大量应用而降低成本,但其他组件,包括结构、电源、热控制、后端电子学和数据处理,可以受益于与航天器本身相同的设计标准放宽而降低成本,或是通过低成本的在轨飞行机会开展在轨仪器测试和迭代,加速大型任务科学有效载荷的开发,提高可靠性,并降低成本。这可以促使更先进的仪器更早实现可靠的应用。

由于商业航天的发展,性价比高的低地球轨道(LEO)在轨服务很快将变得经济可行。太空望远镜在轨服务的价值是公认的,比如哈勃五次成功的在轨服务,包括最著名的第一次任务,修正了主镜的像差,真正的拯救了哈勃项目。随后的任务用一些参数优于几个数量级的新器件取代了原始仪器,并通过更换发生故障的关键部件(包括陀螺仪和电池)和将哈勃推进到更高的轨道来延长哈勃的寿命。然而,哈勃望远镜维修任务的成本太高,以至于两个后续的旗舰级天文台被故意安置在无法维修的轨道上。就钱德拉X射线望远镜而言,为了防止维修,故意选择了一个高度椭圆的轨道,以降低方案发射后的维护成本,避免项目被砍掉。斯皮策红外天文望远镜被送入一个新的太阳漂移轨道。选择这样做是为了减少需要携带的冷冻剂重量,以便在保持5年 “冷任务寿命” 的同时减少携带推进剂。这一变化通过降低发射要求大大降低了任务成本,才使任务获得批准。 

通过低成本的方式让维修人员进入低地球轨道,在轨服务可以重新成为太空望远镜任务的正常组成部分。比如更换发生故障的系统可以提高风险抵抗能力,从而降低成本。在轨服务还可以鼓励愿意冒险的部分系统选择安装更先进的探测仪器,不需要为了非常高的安全性而牺牲仪器的性能。万一仪器出现故障虽然会成为一个麻烦,但不至于终结任务。

对未来的太空望远镜来说,在轨部署将越来越必要。韦布发射器整流罩目前直径约为5米,未来的太空发射系统(SLS)整流罩将达到10米。为了建造天文学家需要的更大的望远镜,我们将需要发展在轨组装的能力。例如,任何版本的行星成像仪干涉仪都涉及到用系绳或桁架连接几个较小的望远镜。在轨组装可以完成更长的磁力计,更大的通信天线,太阳能电池板阵列也可以使用在轨组件来支持任务的能源需要。

在轨加注也让航天器更高效地飞向太阳系内的其他天体成为可能。不久的未来,月球或小行星采矿作业将开发类似的在轨组装能力,比如从1万吨或更大的小行星中提取成百上千吨的水。一个有足够能力的采矿航天器,能够处理这些跟国际空间站的质量相当的物资,而这个过程几乎肯定会涉及在轨组装。而在20年代中期预计较小规模的小行星采矿航天器就将开始实验性工作,这至少是中国第一家太空资源开发与利用的商业公司 “起源太空(Origin Space)” 的规划。起源太空已经发射了世界上第一个商业太空望远镜,也是中国首台光学、紫外双波段工作的空间望远镜。(编者注:本文作者为起源太空创始人)

 

7、科学是太空经济发展最直接的受益者

毫无疑问,科学是人类太空时代的主要受益者。自从第二颗和第三颗人造地球卫星(即1957年的Sputnik 2号和次年的Explorer-1号)发现了地球的辐射带以来,人类对于宇宙的认知从运行于整个太阳系的科学卫星与远行的航天活动中源源不断地涌向地球。

天体物理学和行星科学等主要学科经历了范式性的变化——天文观测的能力不再受到大气层的干扰而能够覆盖全波谱。在21世纪的第三个十年开始的时候,我们需要清醒地意识到,如果人类没有能力进入太空,我们对宇宙的认识将是多么有限。要想维持当前的科学发现率,必须在空间任务变得愈加复杂的同时降低成本,量级式地提升未来实际能够执行的太空探索活动的性价比,从而不会限制未来的科学发现的机会。避免这种困境的一个办法,也许是唯一的办法,是充分利用为商业目的发展起来的太空经济活动。为了人类的可持续发展,任何未来的太空经济,无论是商业卫星运营、太空旅游、月球和小行星采矿,都将越来越依赖于利用太阳系的能源和物质资源。 

在过去的30年里,民营化商业化的航天模式的出现让更低成本来开展太空探索成为可能。更低的发射成本将导致更大、更便宜的 “现成” 航天器。2021年已经有三家美国商业航天公司多次成功将普通人送上太空,未来在低地球轨道上的活动可能会随着私人运营的 “太空客车” 的发展而快速增长,这些客车既用于旅游,也用于为商业运营的微重力研究实验室提供服务,比如生物技术公司很可能是这些实验室的主要客户。与此同时,太空科学观测站的在轨服务可以以合理的成本完成。更加经济的月球着陆器和 “行星际微小卫星” 可以为行星科学的探索提供一种新的高效手段。这些新的机会汇总在一起,让下一代旗舰任务可能成本只是目前数十亿美元价格标签的一小部分。然后,我们可以拥有一个完整的匹配的 “大天文台组网”,跨越整个电磁光谱,甚至包括引力波探测都不是没有可能。

就像地球上的望远镜建设依赖于商业建筑行业的可用性,未来的大型太空望远镜将依赖于太空商业活动,如建设轨道酒店或太空中运行的太阳能发电站。科学尤其将受益于用来支持经济发展的基础设施的建设与开发,这将有助于促进大型太空望远镜的建设,也包括建立在月球和小行星上建设科研站,以及越来越多的雄心勃勃的太空科学探索任务。我们将有能力低成本建造大型太空望远镜,深入研究大范围的太阳系小天体,更便宜和更有能力的机器人到外行星执行任务,以及在月球上建立科学研究站,并在适当的时候在火星上建立科学研究站。一旦太空经济建立起来,它可能会以指数形式增长,到时候更加雄心勃勃的天文探索的目标将不再是天方夜谭。

 



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